内燃机新型点火模式- - 微波点火的着火燃烧机理研究

微波点火是内燃机中一种很有前景的新型点火模式，相对传统火花点火有显著的节能和减排潜力。本课题拟围绕内燃机微波点火的着火燃烧机理、燃烧组织和燃烧模型三个关键科学问题，采用先进的激光测试、发动机试验以及数值模拟方法开展研究。以期捕捉内燃机中微波点火从着火到燃烧的火焰特性，揭示稀薄碳氢燃料混合气条件下微波点火的着火机理，获得内燃机中组织微波点火燃烧的基本原则；提出新的内燃机微波点火着火控制方法并阐明其基本原理；在内燃机条件下微波点火燃烧实验数据的基础上，发展新的考虑微波等离子体对燃烧化学反应动力学影响的汽油机燃烧模型，数值解析汽油机微波点火燃烧过程，优化微波点火燃烧的边界条件，提出提高稀薄燃烧稳定性和减少有害排放物的新思路。研究结果将丰富和发展内燃机燃烧理论，同时可指导我国新型高效清洁内燃机的研发。

传统火花塞点火技术一方面增大了汽油机循环波动率，另一方面因单点点火燃烧模式易造成爆震。相比于传统火花塞火花放电产生平衡态等离子体点火模式，本项目微波产生的非平衡态等离子体有助于提高点火燃烧性能。项目采用可视化直拍图像、燃烧压力测试和尾气检测分析等研究手段，从低温低压定容燃烧弹试验平台到高温高压快速压缩机试验平台，围绕微波谐振等离子体点火技术展开了基础性和创新性研究。研究中利用高速直拍了微波点火和火花点火燃烧过程的异同，对比分析了两种点火技术在不同压力、不同当量比下混合气的燃烧排放特性。可视化图像结果表明：相比于传统火花点火放电技术，微波谐振放电能够产生大体积的等离子体、生成较大的初始火核，具备实现大体积点火燃烧的优势；从燃烧压力测试结果来看，微波点火技术拓宽了稀燃极限和浓燃极限、燃烧增强了稳定性、提高了能量利用率。相比于传统火花点火，微波点火下的稀燃极限和浓燃极限分别约拓宽了21%和50%；因微波点火技术下的初期火核较大及高场强下的大量活性基等原因，降低了火核失火、火焰传播中断现象，有效增强了燃烧稳定性；在脉冲微波能量和火花放电能量基本一致的条件下，微波点火技术提高了可燃混合气着火燃烧时的能量利用率，对于实际发动机中的应用而言，这利于提高对外输出做功能力。从尾气检测分析来看，微波点火技术可以改善燃烧效率，并可作为天然气改质制氢的一种新型技术。具体来说，微波能量辐射全场，降低了壁面低温焠熄效应，从而改善了燃烧效率，使得燃烧更加完全；微波点火技术在浓燃条件下可产生含H2和CO的改质混合气，这有利于实际发动机中掺氢加速火焰燃烧的应用。在上述基础上本项目还进一步探索微波点火控制HCCI燃烧的可能性。基于本项目研究在微波点火拓展稀燃极限在Combustion and Flame上发表论文(Z. Wang, J. Huang, Q. Wang, et al. Experimental study of microwave resonance plasma ignition of methane-air mixture in a constant volume cylinder, Combustion and Flame, 2015.)，微波等离子体点火相关研究被PROGRESS IN ENERGY AND COMBUSTION SCIENCE期刊2015引用（见附件）。